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Bioengineering

Impressão de planar e tridimensional de tintas condutoras

doi: 10.3791/3189 Published: December 9, 2011

Summary

Impressão de planar e tridimensional de tintas metálicas condutoras é descrito. Nossa abordagem fornece novas pistas para a fabricação de eletrônicos impressos, optoeletrônica, dispositivos biomédicos e em layouts incomuns em microescala.

Abstract

Eletrônica impressa contam com baixo custo, as rotas da grande-área de fabricação para criar eletrônicos flexíveis ou multidimensional, optoeletrônica, dispositivos biomédicos e 1-3. Neste artigo, nos concentramos em uma (1D), duas (2D) e tridimensionais de impressão (3D) condutora de tintas metálicas em forma de microeletrodos flexível, elástica e estendida.

Direct-escrever montagem 4,5 é uma técnica de impressão 1-to-3D que permite a fabricação de características que vão desde linhas simples de estruturas complexas pela deposição de tintas concentradas através de bicos finos (~ 0,1-250 mm). Este método de impressão consiste de uma fase de tradução controlado por computador de 3 eixos, um reservatório de tinta e bico, e lente telescópica 10x para visualização. Ao contrário da impressão a jato de tinta, um processo baseado em gota, direto escrever montagem envolve a extrusão de filamentos de tinta ou em ou fora do plano. Os filamentos impressos normalmente em conformidade com o tamanho do bico. Hence, recursos de microescala (<1 mm) podem ser estampados e montados em matrizes de maiores e arquiteturas multidimensional.

Neste artigo, primeiro sintetizar uma tinta de nanopartículas altamente concentrada de prata para impressão planar e 3D via direto escrever montagem. Em seguida, um protocolo padrão para impressão de microeletrodos em motivos multidimensional é demonstrada. Finalmente, as aplicações de microeletrodos impressos para antenas eletricamente pequenas, células solares, e diodos emissores de luz são realçados.

Protocol

1. Introdução

  1. Este trabalho demonstra o 1E, 2D, 3D e impressão de microeletrodos condutora via direto escrever montagem.
  2. Direct-escrever a montagem é um método de construção de 1D para 3D estruturas impressas pela deposição de tintas concentradas através de bicos finos.
  3. Nosso sistema é composto de um computador controlado estágio tradução de 3 eixos, um reservatório de tinta e bico, e lente telescópica 10x para imagens (Figura 1).
  4. Direct-escrever a montagem é uma abordagem impressão filamentosos em que as tintas concentradas são extrudados através de orifícios cilíndricos, cujos diâmetros gama 0,1-250 mM (Figura 2). Nomeadamente, devido às características de tinta viscoelástico, direta e escrita de montagem permite auto-sustentável abrangendo características (Figura 3). Até à data, uma vasta gama de tintas, incluindo os compostos de cerâmica 6,7, 8-10 orgânicos, metálicos 11-15, poliméricos 16,17, e sol-gel 18,19 materiais foramdesenvolvido para esta abordagem de impressão (Figura 4).

2. Preparação de tintas de nanopartículas altamente concentrada de prata

  1. Tintas de nanopartículas de prata são preparados por dissolução primeiro uma mistura de 5000 e 50.000 de peso molecular de poli (ácido acrílico) em uma mistura de 50 g de água e 40 g dietanolamina (Vídeo 2.1).
  2. O polímero atua como um agente de nivelamento para controlar o tamanho das nanopartículas de prata.
  3. Em seguida, uma solução aquosa de nitrato de prata é injetado na solução de polímero. Depois disso, uma solução amarelo-claro transparente é obtida (Vídeo 2.2).
  4. Depois de ter agitado durante 24 horas à temperatura ambiente, a solução desenvolve uma cor marrom-avermelhada (Vídeo 2.3), que coincide com a formação de nanopartículas de prata de 5 nm de diâmetro, conforme determinado por microscopia eletrônica de transmissão.
  5. Em seguida, a solução é sonicado a 65 ° C em banho-maria durante 2 horas para o crescimento de partículas ainda mais (Video 2.4).
  6. After sonicação, a solução é transferida para um copo de 500 ml e resfriado à temperatura ambiente. Em seguida, 300 ml de etanol é titulada a uma taxa de 30 ml / min. Como o etanol é um solvente para o pobre (ácido acrílico) poli nivelamento agente, as partículas coagulam rapidamente e precipitam da solução (Vídeo 2.5).
  7. Após decantação do sobrenadante, o precipitado é coletado em um tubo de centrífuga e centrifugado a 9000 rpm por 20 minutos (Video 2.6).
  8. Após esta etapa, uma tinta de nanopartículas altamente concentrada de prata com um carregamento de sólidos ~ 85% em peso é obtido (Vídeo 2.7).
  9. Maior controlo sobre a viscosidade da tinta e módulo de elasticidade pode ser obtida por diluição, seguido de homogeneização. Por exemplo, uma solução umectante, tal como etilenoglicol, pode ser adicionado à tinta e, em seguida, homogeneizou-se em 2000 rpm por 3 minutos usando um mixer homogeneização Thinky. Após este processo, uma tinta uniforme de um azulado a cor magenta é obtido (Vídeo 2.8).
  10. A imagem mostra TEMnanopartículas de prata obtida por este procedimento de síntese (Figura 5_left). As partículas têm um diâmetro médio de 20 nm com uma distribuição de tamanho de 50-50 nm. Estruturas impressas exigem pós-recozimento para melhorar a sua condutividade. Após o recozimento a 250 ° C por menos de 30 min, as nanopartículas de prata microeletrodos forma condutora com uma resistividade elétrica se aproximando a 10 -5 Ω • cm (Figura direito 5_bottom). A evolução microestrutural do microeletrodos prata impressa em função da temperatura de recozimento é mostrado na Figura direito 5_top. Como a temperatura aumenta de 150 ° a 550 ° C, a densificação microeletrodos sofrer com uma contração volumétrica total de ~ 30% 11.
  11. A reologia da tinta, que depende fortemente da sua carga de sólidos, determina a sua capacidade de impressão. A tinta a viscosidade aumenta com o aumento da carga de sólidos (Figura 6). Porque diluir tintas com baixa viscosidade resultado em uma significativa propagação lateral, Concentrtintas ciado a uma carga de sólidos variando de 70 a 85% em peso são necessários para impressão de filamentos de tinta planar e expansão.
  12. A tinta elástica aumenta com o aumento do módulo de carga de sólidos (Figura 7). Na região viscoelástica linear, o módulo de elasticidade aumenta quase três ordens de grandeza que os sólidos de carregamento aumenta 60 a 75% em peso. Um módulo mínimo elástico de 2000 Pa é necessário para produzir auto-sustentável ou que medem características.

3. Direct-escrever montagem

  1. Direct-escrever a montagem é realizada por primeira carga de tinta em uma seringa. Depois de anexar um bocal de deposição, a tinta-carregado o corpo da seringa é montado na fase de impressão de 3 eixos (Vídeo 3.1).
  2. Usando um programa de computador, desenhos arbitrários, incluindo linear, planar, e complexas estruturas tridimensionais podem ser facilmente gerados (Vídeo 3.2).
  3. Em seguida, a altura do bico é ajustada com o auxílio de lente de telescópio com um zoom 10x (Vídeo 3.3). Após a aplicação de pressão, com um ar-powered fluido do sistema de distribuição, a tinta é depositada sobre o substrato com uma velocidade de impressão controlada (Vídeo 3.4). A pressão necessária depende de reologia da tinta, o diâmetro do bico e velocidade de impressão, mas valores típicos faixa 1-10 psi a 2-50 M / s. Esta impressão é feita no ar à temperatura ambiente. Usando este procedimento de impressão, a impressão de microeletrodos de prata em layouts diferentes escalas de tamanho e é demonstrada.
  4. Para um exemplo, a impressão de grades de prata condutora com um espaçamento entre linhas de centro a centro de 100 mm, modelado por um bocal de 5 mícrons em um substrato de pastilha de silício é demonstrado (Vídeo 3.5).
  5. Além disso, este vídeo mostra como criar uma estrutura com uma elevada relação de aspecto cilíndrico por um bocal de 30 mícrons usando um método de impressão camada por camada (Vídeo 3.6).
  6. Além disso, a impressão omnidirecional de microeletrodos de prata entre dois substratos de vidro compensado por uma altura de 1 mm diferença é demonstrado através de um bocal de 30 mícrons (Vídeo 3.7).
  7. Completamente free-standing, microspikes prata verticalmente impressa pode ser criado por um bocal de 30 mícrons em um substrato de wafer Si (Vídeo 3.8).
  8. Finalmente, este vídeo mostra a escrita direta de um microeletrodo de prata que medem através de um bocal de 10 mícrons (Vídeo 3.9). O recurso impresso pode se estender por distâncias de até um centímetro com o mínimo de inclinação ou flambagem.

4. Resultados representativos:

Nós preparamos uma tintas de nanopartículas altamente concentrado de prata e demonstrou características condutoras impressas em motivos para planar e 3D para eletrônicos e optoeletrônicos aplicações com resolução de impressão ~ 2 - 30 mm. Por exemplo, a Figura 8 exibe a resolução de impressão desta técnica. Características impressas com largura mínima de eletrodo ~ 2 micra (1,4 mm de espessura) são obtidas em uma única passagem através de um bocal 1-M 11.

Figura 9 mostrams grades transparentes prata condutora, modelado por um bico de 5 mm em um filme de poliimida flexível 12. Os textos abaixo as grades impressos são claramente visíveis. Estas grades de prata transparente poderia ser alternativas atraentes para a realização de óxido transparente (TCO) dos materiais.

Impressão conformada em um substrato não-planar também é habilitado por esse método. Figura 10 demonstra a impressão conformada de uma antena eletricamente pequena 3D. A 100 bico de metal M é usado para imprimir meandro da linha de padrões na superfície de um copo hemisfério 13. Esta abordagem pode encontrar diversas aplicações, incluindo antenas implantáveis ​​e wearable, eletrônicos e sensores.

Aplicações de microeletrodos de prata que mede em três dimensões a energia fotovoltaica e diodos emissores de luz são demonstradas (Figura 11-14).

Primeiro, a Figura 11 é um exemplo de silício casca esférica. Este filme com uma tênue t 2 mícronshickness podem ser fios ligados a um circuito externo, imprimindo omnidirecional 14. Este método utiliza a pressão de contato mínimo, que é altamente vantajoso para dispositivos delicados.

Em seguida, a Figura 12 demonstra um exemplo de impressão de uma interconexão de spanning para um array de silício microcell solar no qual os elementos silício microribbon estão separados por 33 mícrons gap 15.

Em seguida, a Figura 13 mostra interconexões de prata para o arsenieto de gálio-base matriz de LEDs com 4 por 4 pixels, onde cada pixel (500 x 500 x 2,5 mM 3) é espaçado 200 mM além 11. A imagem inferior mostra a matriz de LEDs, que emitem luz vermelha uniforme sob um viés aplicado de 6 V a partir de um único pixel. A capacidade de imprimir eletrodos que medem permite a interligação multicamadas sem o uso de camadas de apoio ou sacrificial (imagens acima).

Como uma demonstração final, SEM A Figura 14 mostra as imagens para o microfone 3D complexasroperiodic lattice prata impresso por um bocal de 5m.

Figura 1
Figura 1. Óptico de imagem de aparelhos direto tinta de escrever.

Figura 2
Figura 2. Escrito a tinta direto de uma característica filamentosos.

Figura 3
Figura 3. Escrito a tinta direto da auto-sustentável abrangendo características.

Figura 4
Figura 4. Designs de tinta para a escrita a tinta direto. Uma vasta gama de tintas viscoelástico concentrados têm sido desenvolvidos para a escrita direta de planar e complexas estruturas 3D com recursos de microescala.

Figura 5
Figura 5. (Esquerda) microscopia eletrônica de transmissão de imagem (TEM) de nanopartículas de prata. (Canto superior direito) SEM imagens de microeletrodos prata modelado com um bocal de 15 mícrons em função da temperatura de recozimento. (Abaixo, à direita) resistividade elétrica de microeletrodos de prata como uma função da temperatura e do tempo de recozimento.

Figura 6
Figura 6. Viscosidade aparente (η) das tintas de nanopartículas de prata como uma função da carga de sólidos.

Figura 7
Figura 7. Cisalhamento elástico (G ') como uma função da tensão de cisalhamento para tintas de nanopartículas de prata de diferentes carregamento de sólidos.

Figura 8
Figura 8. MEV de matrizes de microeletrodos planar prata modeladosem um wafer de Si com um bico de uma mícrons.

Figura 9
Figura 9. Óptico de imagem de grades transparentes prata condutora (esquerda) e imagens de SEM das grades impressas em função do tom de linha (à direita).

Figura 10
Figura 10. Ótica de Imagem capturada durante a impressão conformada de antenas eletricamente pequenas em um substrato de vidro hemisféricas.

Figura 11
Figura 11. Óptico de imagem obtidos durante a impressão de que abrange microeletrodos de prata em uma fina casca de silício (2 mm) esférica.

Figura 12
Figura 12. SEM imagem de um microeletrodo prata abrangendo impressa em um de silício de modolar conjunto microcélula.

Figura 13
Figura 13. SEM imagens (acima) e de imagem ótica (em baixo) de um quatro-por-4 série de chips de LED interligados por microeletrodos de prata.

Figura 14
Figura 14. SEM imagem de 3D ​​lattice prata microperiodic.

Discussion

Convencionais abordagens baseadas em gotículas de impressão, tais como a impressão a jato de tinta, são limitados para a fabricação de eletrodos de planar com relação de aspecto baixo, devido à natureza diluir e baixa viscosidade das tintas utilizadas. Recentemente, dip-pen nanolithography (DPN) 20-22 e e-jet impressão 23-25 ​​têm sido usados ​​para recursos de padrão condutivo. Essas rotas também empregam diluir, tintas de baixa viscosidade. Pearton e colegas de trabalho utilizado DPN para depositar uma tinta de nanopartículas de prata disponível comercialmente em escrever velocidades de até 1.600 M s -1 e larguras de linha de aproximadamente 0,5 m 22. No entanto, a fabricação de padrões reproduzíveis em grandes áreas ainda não foi demonstrado por esta abordagem. Tintas de nanopartículas de prata também têm sido depositados por e jet-impressão para formar traços condutores com larguras de linha de 1,5 M ~ 25. No entanto, como com impressão a jato de tinta, não homogênea características impressas podem surgir devido a formação da gota de satélite e não-uniforme gota dtia escriturada 24,25.

Como demonstrado acima, montagem direta e escrita de tintas de nanopartículas de prata concentrada supera estas limitações através de uma abordagem baseada em impressão filamentosos. Esta técnica permite a fabricação de microeletrodos condutora com uma alta razão de aspecto (h / w ≈ 1,0) em um único passes permitindo a criação de 1D, 2D, 3D e arquiteturas. O tamanho das características impressas depende diâmetro do bico, o carregamento de sólidos de tinta, a pressão aplicada, e velocidade de impressão. Até o momento, traços condutores tão pequeno quanto ~ 2 m foram modelados usando um bico M 1 a velocidades modestas (<2 mm s -1). Ao adaptar a composição da tinta e da geometria do bocal, velocidades de impressão máxima superior a -1 10 cm s são possíveis. No entanto, alta velocidade de impressão de usar bicos finos (<5 mm) continua a ser um desafio significativo.

Para demonstrar as aplicações de gravação direta de montagem, que fabricou grades condutoras, electrically antenas pequenas, células solares, e diodos emissores de luz com planar e abrangendo eletrodos impressos (Figura 8-14). Nomeadamente, a nossa abordagem não se restringe à criação de estruturas metálicas. Usando desenhos de tinta, tais como aqueles baseados em fibroína seda, hidrogel e fugitivo tintas orgânicas, temos construído andaimes 3D e redes microvascular para engenharia de tecidos e cultura de células através de direct-escrever montagem 26-30.

Olhando para o futuro, há muitas oportunidades e desafios. Avanços requerem projetos de tinta novo, melhor modelagem da dinâmica do fluxo de tinta, e aprimorados sistemas de robótica e controle. Grande área de fabricação de estruturas 1D para 3D com alto rendimento e resolução nanométrica (<100 nm) continua a ser um desafio significativo.

Disclosures

Não há conflitos de interesse declarados.

Acknowledgments

Este material é baseado no trabalho apoiado pelo Departamento de Energia dos EUA, Ciências dos Materiais e Divisão de Engenharia (n º Prêmio DEFG-02-07ER46471) eo DOE Energia Centro de Investigação de Luz Materiais Interações em Conversão de Energia (Prêmio n º DE-SC0001293 ), e se beneficiou do acesso ao Centro de Microanálise de Materiais dentro da Seitz Frederick Materials Research Laboratory (FSMRL).

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Poly(acrylic acid) Polysciences, Inc. 06519 m.w. 5,000 g/mol
Poly(acrylic acid) Polysciences, Inc. 00627 m.w. 50,000 g/mol
Silver nitrate Sigma-Aldrich 209139 Silver source
Diethanolamine Sigma-Aldrich D8885 Solvent/Reducing agent
Ethylene glycol Sigma-Aldrich 102466 Humectant
Sonicater Fisher Scientific FS30H -
Centrifuge Beckman Coulter Inc. AvantiTM J-25 I -
Robotic stage Aerotech Inc. ABL 900010 3-axis motion
Syringe barrel EFD Inc. 5109LBP-B 3 ml
Nozzle EFD Inc. - i.d. = 0.1 - 250 μm
Dispenser EFD Inc. 800 Air-powered
Design software Custom Made - Mingjie Xu

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